Центробежная изотропная обработка

Дейв Дэвидсон
Этот высокоскоростной и высокоинтенсивный метод массовой обработки может улучшить характеристики деталей.

Благодаря постоянному развитию традиционных технологий субтрактивной обработки, таких как многокоординатная обработка, и более частому использованию трехмерной печати на металле (аддитивное наращивание) для производства деталей, руководители технических отделов и инженеры сталкиваются с новыми и сложными задачами, связанными с зачисткой деталей и отделкой поверхности.

В прошлом экономичное производство больших партий деталей составляло большую часть промышленности. Многие используемые технологии были созданы для обработки больших партий идентичных деталей и обеспечения условий обработки однородных поверхностей. Однородность характеристик от партии к партии и от детали к детали повлияла на развитие данных технологий и увеличило экономические преимущества, получаемые от применения данных процессов.

Изображение 1 - Металлическая часть на рисунке слева отображает типичную обработку или шлифовку поверхности с характеристиками профиля Гауссовой поверхности, которые могут снизить производительность и прочность взаимодействующих деталей. Они также могут сократить срок службы деталей, подверженных циклической деформации или напряжению в процессе эксплуатации. На изображении справа показано, как высокоэнергетическая и высокоинтенсивная обработка поверхности может исправить вышеупомянутые потенциальные проблемы при обработке поверхности. (Изображения и развертка поверхности предоставлены Джеком Кларком, Surface Analytics.)

Несмотря на то, что единообразие и однородность по-прежнему являются очень важными характеристиками при изготовлении деталей, гибкое производство, устранение узких мест в производстве, а также иные принципы производства, основанные на качестве, могут вывести производство на совершенно иной уровень. Эти изменения оказывают значительное влияние на зачистку и механическую обработку деталей. Большинство производителей нуждаются в быстрой обработке небольших партий деталей сложной формы с гораздо более жесткими требованиями к допускам и обработке поверхностей.

Новые задачи с трехмерной печатью деталей

Производство металлических деталей с использованием различных технологий аддитивного наращивания ставит перед производителями новый и совершенно другой набор задач по обработке. В отличие от традиционных технологий производства, при использовании технологии аддитивного наращивания изготавливаемые детали выпускаются без значительных неровностей на поверхности, которые обычно возникают при резке или формовке металла. Детали, изготовленные методом трехмерной печати, также не подвергаются анизотропной обработке или шлифовке, которые проводятся при субтрактивных операциях и могут ускорить износ и усталость деталей.

Однако, в большинстве случаев при трехмерной печати на поверхности деталей образуются неровности, которые могут усложнить процедуру их механической обработки. Иногда поверхности печатных деталей сравнивают с поверхностями литых деталей с точки зрения их начальной шероховатости поверхности и положительной асимметрии. Для требуемой обработки поверхности с технологическими циклами необходимо использовать высокопроизводительные методы обработки, которые не приведут к появлению узких мест и ограничений на объем при производстве.

Высокоскоростная и высокоэнергетическая обработка

Центробежная изотропная обработка представляет собой высокоскоростной и высокоинтенсивный метод массовой обработки, при котором абразивные или полировальные материалы взаимодействуют с краями деталей и их поверхностями с давлением, в 10 раз превышающим поверхностное давление при низкоэнергетической обработке. Практически это означает, что при сокращенном рабочем цикле можно производить очень детальную обработку поверхности. Это также означает, что зачистка поверхности деталей со сложной и детализированной геометрией может быть проведена при минимальном участии оператора. Это связано с тем, что более высокое поверхностное давление позволяет эффективно использовать значительно более мелкие частицы шлифовального материала. Малый размер частиц шлифовального материала позволяет получить доступ к участкам, которые не были доступны для обработки при использовании традиционного шлифовального материала, используемого при обработке методом низкоэнергетического прямого вытеснения или при кинетической обработке поверхности.

Повышение требований к точности и сложности обработки усилили потребность в более точном выполнении и контроле за процессом обработки поверхности.

Изменения текстуры поверхности могут влиять на различные эксплуатационные характеристики. Они могут повлиять на устойчивость детали к износу, усталости и воздействию коррозии, разрушение слоя смазочного материала на поверхности, увеличение или уменьшение трения и/или истирания взаимодействующих деталей. Поскольку эти характеристики являются критичными при определенных условиях эксплуатации, обработка поверхности может влиять на производительность, целостность и срок службы изготовленных деталей.

Ниже приведены несколько особенностей и преимуществ центробежной изотропной обработки:

Последовательная обработка.

Для удовлетворения более строгих требований многие современные процедуры массовой обработки основываются на многоступенчатой последовательной обработке, которая позволяет получить хорошо отполированную и гладкую поверхность. Она включает в себя первоначальную обработку деталей грубым абразивным материалом и последовательную обработку мелкозернистым абразивным материалом. На каждом последующем этапе обработки используется абразивный материал, зернистость которого позволит очистить и разгладить следы, оставленные при предыдущем этапе. Аналогичная процедура выполняется в деревообрабатывающей промышленности, где для достижения гладкой поверхности каждый цикл шлифования выполняется абразивом с меньшим значением зернистости. Тот же принцип используется для массовой обработки металлических и некоторых пластмассовых деталей для получения очень гладкой и отполированной поверхности.

Гибкая обработка.

Двух- или даже трехступенчатая центробежная галтовка может обеспечить максимальное выравнивание поверхности с минимальными контурами. Этапы процесса центробежной изотропной обработки могут быть выполнены на одном и том же оборудовании, поскольку оно обычно оснащено четырьмя отделениями для обработки.

Кэти МакКей, вице-президент Mackay Manufacturing в Спокане, штат Вашингтон, говорит, что ее компания перешла на использование центробежной изотропной обработки после восьмичасовой обработки и зачистки конструкции с многочисленными просверленными отверстиями, краями и плоскостями. После центробежной обработки процесс зачистки занимает несколько минут, оправдывая покупку нового оборудования. С тех пор ее компания использует метод центробежной обработки. Для зачистки деталей без оборудования для обработки компании Mackay Manufacturing пришлось бы дополнительно задействовать трех сотрудников.

МакКей утверждает, что с момента установки оборудования компания разработала способы обработки более 50 типов деталей из титана, стали, нержавеющей стали, алюминия и пластика. Для обработки поверхностей деталей согласно спецификации, используется более двадцати различных программ; в некоторых случаях обработка выполняется до высокого уровня полировки с низким значением шероховатости. Почти все процедуры по зачистке и обработке материалов на данном предприятии на 135 сотрудников и площадью 50 000 квадратных футов выполняются одной машиной.

Асимметрия поверхности.

Обычно изготавливаемые поверхности характеризуются как отрицательно или положительно асимметричные. Данная характеристика, обозначенная как Rsk, отображает симметрию поверхности относительно средней линии на графике профилометра. Необработанные детали обычно имеют высокую концентрацию поверхностных пиков над средней линией, или положительную асимметрию. Наличие поверхностей с положительной асимметрией нежелательно, так как она негативно влияет на производительность деталей при значительном контакте поверхностей. Центробежная изотропная обработка может уменьшить пики профиля и позволяет достичь неизменной отрицательной асимметрии поверхности, обеспечивая гораздо большую площадь опорной поверхности. Джек Кларк был одним из первых, кто использовал метод центробежной изотропной обработки на двигателях гоночных автомобилей и смог продлить срок полезного использования двигателей, аналогичных установленным на автомобилях Формулы-1, которые обычно приходилось заменять после одной или двух гонок.

Модели структуры поверхности.

 Необходимо учитывать направление структур поверхности, измененных типичными методами обработки и шлифования. Обработанные поверхности можно отличить по выровненным и направленным меткам или узорам, оставленным инструментом при выполнении процедуры. Срок службы и производительность инструмента или его части могут быть существенно увеличены, если вышеуказанные типы могут быть модифицированы в один более случайный тип текстур. Процессы после высокоэнергетической обработки, в которых используются свободные абразивные материалы, могут существенно изменить обработанную поверхность, уменьшив пики и создав случайную структуру штриховки. Изотропные поверхности повышают стойкость к износу и усталости.

Остаточное напряжение.

При обработке и шлифовании на поверхностях деталей могут образовываться остаточные растягивающие напряжения. Данные напряжения ускоряют процесс преждевременного разрушения деталей. Процессы центробежной изотропной обработки могут изменять условия поверхностного напряжения и заменять их на равномерные сжимающие напряжения. Многие изготовители обнаружили, что после введения данных процессов в производство и получения результатов эксплуатации обработанных деталей, характеристики деталей улучшились - детали не только имеют зачищенную и более гладкую поверхность, но также менее подвержены усталостному разрушению и обладают лучшими трибологическими характеристиками.

Некоторые процессы, такие как нагартовка, обычно используются для улучшения целостности поверхности металла, уменьшения распространения трещин и увеличения срока службы. Было обнаружено, что высокоэнергетическая последовательная обработка со свободными шлифовальными материалами может привести к появлению не только сжимающих напряжений, но и очень ровных или выровненных поверхностей с отрицательной асимметрией. Также наблюдается значительное повышение стойкости к износу.

В одном примере срок службы чеканочных штампов, используемых при формовке верхних поверхностей алюминиевых банок, примерно в 10 раз больше ожидаемого срока службы деталей, которые не были обработаны данным методом. В другом примере, приведенном Дж.Бернардом Хайнеттом в технической статье SME, описывались испытания при циклических нагрузках, проведенные производителем пружин:

«Способность повышения устойчивости к усталостному разрушению наглядно подтверждается результатами некоторых испытаний, проведенных производителем цилиндрических пружин из нержавеющей стали. Из стандартной партии было взято несколько пружин. Половина пружин была обработана обычным для изготовителей способом - галтовкой с последующим дробеструйным упрочнением, а другая половина была обработана методом CBF в течение 20 минут. Затем пружины были испытаны на отказоустойчивость путем их сжатия с напряжением от 0 до примерно 50000 фунт/кв.дюйм. Результаты показали, что все пружины, обработанные обычным способом, пришли в негодность между 160 000 и 360 000 циклов. Пружины, обработанные методом CBF, пришли в негодность между 360 000 и 520 000 циклами, прослужив на 60 процентов дольше».

Важность обработки поверхности

Устойчивость к нагрузкам и износу является базовым принципом для улучшения «функциональности» всех поверхностей. Традиционные процессы не определяют, как данная деталь или совокупность деталей будут функционировать с течением времени. В последние годы производители поняли, что обработка поверхности способствует продлению срока службы деталей. Невозможно спрогнозировать производительность компонентов системы без учета характеристик обработки поверхности: закрепление смазочного материала, зачистка неровностей, идентификация изношенного и фальцованного материала, анизотропность и устойчивость к воздействию нагрузки.

Высокоэнергетическая обработка также может увеличить срок службы детали путем разработки полезного и равномерного компрессионного равновесия напряжений между деталями для предотвращения преждевременного усталостного разрушения.

Благодаря разработке производственного процесса и более зрелому пониманию выполняемой «функции» поверхностей производители могут проектировать детали для систем с более предсказуемым и продолжительным сроком службы. Продление срока службы позволит снизить гарантийные затраты, количество отходов, издержки производства, а также увеличить качество выпускаемых изделий. Несмотря на то, что использование центробежной изотропной обработки позволяет снизить затраты на зачистку и обработку поверхности по сравнению с процедурами, выполняемыми вручную, ее способность резко влиять на производительность и срок службы деталей не так хорошо известна в сообществе производителей.